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長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性

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Academic year: 2021

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(1)Title. 長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性. Author(s). 相馬, 詢. Citation. 北海道教育大学紀要. 自然科学編, 50(1): 73-80. Issue Date. 1999-08. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/514. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要 (自然科学編) 第50巻 第1号. 平成 11 年8月. l ion(Natura ISc i i do Un iver i )Vo lof Hokka ty ofEducat journa ences s .I .50 ,No. Augus t ,1999. 長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性. 相 馬. 諭. 8 5‐ 85 8 0 北海道教育大学釧路校技術教育研究室 釧路 0. ing Heat Resistance of Spark‐Coated Cast lron by 工sothermaI Heat for a Long Ti l l t le. M[akoto sOHMA i Laboratory ofTechno l i 1Educat ion ro ca ] mpus og ca ,Kush iver i i i 8580 Hokka ido Un ty ofEducat ro 085 ‐ s on ,Kush. Abstract. CI ical ly heat i imein industr ial use To clar fy the pract i ‐ res stantt ,oncespark‐coated( ) andtwice. C2 )castirons were heatedisothermally at700oC unti1200h. spark-coated( The mainresul lows ts obtained were as fol ‐. 1 ) Attheheatingtimeof25h,the weightratioofC1 was40% comparedtonon‐coatediron(CO)and20% ively. in C2 ime of50h,they were7 0% and 50% respect ‐ Atthet ing fect of coat ing and the ef 2 ) Both irons reached to the stage of severe oxidation after 50h‐heat seemed to disappear .. 3 ) After50h-heating W and Co wereanalyzed attheedgeofC2andeven after200h‐heating,they were ly. detected sl ight. 4 ) Thetimethatoxidation wascontrolledto about50% comparedto C0 was25hin C1,but50hin C2. Thosef igures may be usefulinindustr ialappl icat ion.. 1. 緒. 近年, 鉄鋼材料の付加価値, すなわち耐熱性, 耐摩耗性, 耐蝕性, 耐疲労性, 装飾性等を高める要求が極 2 3 ) ) ) 一方 著 めて 強 い が, 多く の 研究者 によ っ て 有 益 な 研究成 果 が報告さ れ, 工 業 的 に広く 応用 さ れて いる1 , .. 者は経済的で容易な表面改質法を検討してきたが, 中でも鋳鉄を稀薄酸素雰囲気中で加熱すると表面近くに ) さらに切削工具, 金型, 歯車等の耐摩耗 撤密で硬いパーライトリングの形成を見出し工業的に注目された4 . 5 ) 性, 耐久性を高めるのに極めて効果的な放電被覆加工法 (以下放電加工と呼ぶ) に注目した. この方法は, 電磁的に振動する陽極の電極物質が陰極の被加工物と接触する際, 火花放電によって電極物質が溶融, 付着 して硬い被膜を形成する方法である. そしてこの方法を鋼と鋳鉄に試みた結果, いずれの場合も耐熱, 耐摩 7 ) ) さらに, 資源の有効利 耗的付加価値が著しく高まる注目すべき結果が得られ, 工業的応用段階に達した6 . ( ) 7 3.

(3) . 相馬 詞. 74. ) しかし, 前報までの空気中での耐熱性実験は, 加 用に寄与できる一方法として技術教育的にも注目された8 . 熱時間20hまでであったので実用的応用に疑問が唱えられた.そこで本研究では放電被覆片状黒鉛鋳鉄を空 気中で今までの1 0倍の時間加熱, すなわち200hにも及ぶ長時間の加熱を行い, 加熱に伴う組織の変化を光 学顕微鏡で試料の端から連続的に観察すると共にEPMA で元素の定量分析を行い, 変質状態を詳細に調べ た. そ して 得 ら れた データ を検 討 して, 実用 的耐熱 時間 を推 察 して, 工業 的応用 に資 する こ とを 目指 した.. 2. 実. 験. 方. 法. 25 Mpa で あ る こ と か ら 実験に用いた片状黒鉛鋳鉄の化学組成と諸性質を表1に示した. 引張強さ は2 FC200級の 材 質 である. 素 材 は, 小30×250(mm)の丸 棒 でそ の 中心 部 か ら図1 に示 した 寸法 の引 張 試 験片. と耐熱性試験片を機械加工により製作した. )と同じくユニツール社製の放電被覆加工装置「ペネトロン」を用いて行った 放電加工は, 放電加工は前報9 . 電極 物 質 に WC (W 86.93 s%) を用 いて, 一 回行 っ た (一 段被 覆) 後, , Feo‐15 mas , Co5‐54 , C5‐87 ) 当り 30 さ らに重 ねて (二段 被覆) 行 っ た. 一段被覆 条 件 は, 電極 棒 1‐5 mm 角, 放電 時間 は単位 面 積 ( cm2 s であ っ た. 二 段被覆 条 件 は, そ れ ぞれ lmm 角,60s である. なお一 段被覆 試料 を C1 , 二段被 覆 試 料 を C2 そ して 被覆 しない鋳 造 のまま の試 料 は C0 と呼 ぶこ とにする. 皮 膜 の平 均厚さ CI は,15” m, C2 は,20” m であ っ た. 図 2 は光学顕微鏡組織であるが, 上部の白色帯状部が放電被膜で, CIの場合は凹凸が多いが, C2ではほ. ぼ均一であるのが観察される. なお, 鋳造のままの顕微鏡組織はA 型の片状黒鉛, パーライ ト基地そして少 量 の フ ェ ライ トか らな っ て いる.. 耐熱性試験は, 図1の試験片の全面に一段と二段放電被覆した試料を静止空気中で恒温加熱を行った. す oCで25 50 100 150 200h 加 熱 した 後 室 温ま で冷 却 した そ して 重量 なわち, 図3 に示 した よう に700 , , , , , .. を測定して, 重量の変化を算出した. さらに, 試料の端から中心部に渡って連続的に光学顕微鏡組織を観察 すると共に元素のEPMA 定量線分析を行った. 定量線分析の条件は表2 に 示 した よ う に 加 速 電 圧 15KV で, Fe , 0, C, Si , W, Co を分析した.. 表1 片状黒鉛鋳鉄の化学組成と諸性質 化学組成 (ma s s %). 250. T.C. G.C. S i. Mn. P. S. 3‐38. 2‐03. 1-92. 0‐69. 0‐098. 0‐047. 緒. 性. 質. 引張強さ. 伸. (Mpa ). (%). ブリネル硬さ ( 10 /3000 ). 密 度 ) (Mg/m3. 225. 0.5. 180. 7.08. び. 片状 黒 鉛 鋳 鉄 素 材. 5. 95. 6 引 張試験片. 坪 耐 熱性 試 験 片. 図1 片状黒鉛鋳鉄の素材及び試験片寸法 ( ) 74.

(4) . 7 5. 長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性. 表2 EPMA 定量線分析条件 ry ’ ◇放 電皮膜. o放電 皮膜. 1. . ,T .. ″ - r ,綱 L . ′. ゥ, .・. 鋳造のまま. 分析長さ. 140 ′)180”m. 分析元素. Fe ア , 0, C, SL ・. 加速電圧. 15KV. 試料電 流. カ ー ボ ン上 でlonA. 分析方向. 試料内部 表層側. 電子線径. 約め2”m. 標準試料. Fe: 純Fe 〇:Fe2〇3 C: 純C si:Si〇2. i- = -. 塙 鋳造のままキ. 臨 調 は. ‐. 50リm , . 一段被覆 (CI). 二 段 被覆 (C 2). 図2 片状黒鉛鋳鉄の鋳造のままの組織と放電皮膜. CO. W:純W CO:純Co そ. の. 他. wt%は, 標準試料の値と分析試料 より検出された値の対比で算出. 700 ℃ 25 , 50 , 75 ,100 ,125 , 150 ,175 ,2oo h. (静止空気中) 室. - 試料挿入 図3. 一冷 炉. 400 ℃. 空冷. 温. 耐熱性試験熱サイクル. 3. 実験結果及び考察 図4 は, 耐熱性試験結果で, 左図は, 恒温加熱時間に対する室温での重量増加量を示す. 被覆しない鋳鉄 CO は, 加 熱 時間 と共 に直 線 的に重 量 が増 加 し, 200h で は4‐2% と加 熱 時間25h の4 倍 に達 した. こ れに対. して, 放電加工した場合には皮膜厚さの増大と共に重量増加量がCOより減少したが, 特に加熱時間2 5hで は著 しか っ た‐ その 後,50h で は増 大 傾 向 を示 した が, 増 加 曲線 は, C1 , C2 とも に200h の 加 熱ま で CO に. 平行, すなわち三者は最終加熱段階まで類似した増加傾向を示した. 図4の右図は,被覆しない鋳鉄COの重量増加量に対する被覆した鋳鉄の重量増加量の割合を示す.割合は 50h ま で大き く増 大 した が, そ れ以 上 で は著 しく 減 少 した. 加 熱 時 間 25h ‐の CI は CO の 約 40%, C2 は20% で あ っ た. こ れ は 一 段 被 覆 に よ り 約 60%, 二 段 によ り. 80%も酸化・脱炭による変質が減少, すなわち耐熱性が増大したことを示す. その後, 加熱時間5 0hでの一 段及び二段被覆の割合はそれぞれ約70%と50%で耐熱性が著しく減少する傾向が生じた.しかし一段被覆に 対 して 二 段 で はま だ半 分 の 変質 量 である こ とか ら,C1 と C2 の皮 膜 厚さ の差 5”m の耐 熱 性 に与 える 影響 が. 極めて大きいことが理解できる. その後の増加傾向は著しく減少し, 割合は80%から90% であ っ た こ とか ら 被覆効果は, 加熱時間50h位までであることが考えられる. 50h 以 上 で は前 述 のよう に CI/C0 と C2/CO の値 が大 き い が, 加 熱 時 間に対 する増 大 傾 向 が減 少 す る. と共に,両者は接近する傾向を示した.すなわち1oohにおけるCI/C0とC2/COの値はそれぞれ約85% と75%, す なわち CO に対する変質の減少量はわずか1 5%と25%であった.そしてその後の両者の差はさら に減 少 して200h で は90% と85% に なっ た. この こ とは三者 の変質 傾 向 はほ ぼ同 じで被覆 の 効果 が消 失 した. ( ) 7 5.

(5) . 相馬 諭. 76. 100. ○:被覆なし (Co) 0:一段被覆 (CI). C) 覆( .: 坪 〒. 80. 被覆なし. . \. 一段被覆/被覆なし. 1 -. -苧被覆. 50. 二段被覆/被覆なし. 100 「50 200 0. 恒 温 加 熱 時 間,. CI CO ) ( /. 40. ) C2/CO (. 20. 二段被覆. 0 O . 0. 1. h. 50. 100 150 200. 恒 温加 熱 時 間,. h. 図4 耐熱性試験結果. こ と を示す. 図5 は静止空気中で2 5h加熱したC0 , CI及び C2の室温で観察した試料端から中心部に渡る光学顕微. 0 )(①)及び内部に形成された酸化層(②)が著しい 鏡組織変化を示す. COの端部は元の試料表面より外側1 . それより内部の③領域では, 基地の酸化・脱炭, 黒鉛自体の酸化及びその跡に酸化物の堆積が観察される. さらに内部では酸化物の点在と基地のフェライ ト化が観察される. これに対して被覆を行うと被覆厚さと共 に外周部付近 (①及び②) の変質が著しく減少すると共にそれに続く酸化・脱炭層 (③) も減少した. 図 6 は, CI/C0 と C2/COの割 合 が大きく, 又, C0 , C1 , C2 の 耐 熱性に差 異 が なく なり 始 める 段 階. ( ) のC0とC2の組織変化である. COの外側の変質層 (①+②) は厚く, 加熱時間25hより50%も大 50h きく, また内部変質層(③)も大である. これに対して二段被覆を行ったC2の変質層(①+②)の厚さはCO の約1/ 3に減少した.しかし内部の酸化・脱炭層である③の厚さはCO に類似 した. す なわ ち, 全 体的 に は C2 の耐熱性が増大はしたが内部の変質に大きな差異がなかった‐ これはCOの②の内側にわずかな厚さだが パ ーライ トリ ングが形成 さ れた 様相 が見 ら れた こ とか ら,CO は皮膜がなく雰囲気の影響を強く受けるが,内. }が形成され変質が抑制されたためと考えられる 部の稀薄酸素雰囲気により保護層4 . 図7 は200h 加熱 後の C0 と C2 の組 織変化 である.CIも 類似 した 組織 で,外側 及 び内部 の 変 質 が激 しく,. 三者共, 中心部まで同程度の酸化性雰囲気の影響を強く受けた様相を示した. しかし三者の中でも皮膜が- 番厚いC2の変質の度合は他の鋳鉄よりもわずかに少ない様相であった. 図8はC0 5 0hのEPMA 定量線分析結果を示す. 試料の外側に形成された①層は鉄酸化物であることが ‐ 理解される. 内部の②層は鉄酸化物とケイ素酸化物からなっている. 内部の③層内には酸素濃度が高い部分 が点在していることから被覆しない場合には中心部まで外部雰囲気の影響が生ずることが分かった. 図9は二段被覆したC2の50h加熱後の分析結果である. ①層はC0と同じく鉄酸化物であるが, ②層に はCOのように著しい酸化の影響が見られなかった. ③層の黒鉛周辺にはケイ素酸化物の堆積が部分的に見 られた. 注目されることは, ①と②の間に耐熱皮膜の主成分である W とCo が部分的に少量分析されたこと である. この 傾 向 は1ooh 加熱 した C2 にも見られた. しかし2 00hでは激しい変質のみで放電皮膜を形成す る 元 素 は全く 分析さ れな か っ た.. 二段被覆した片状黒鉛鋳鉄C2の耐熱性は50h ま で は CIより優れていた. これは被覆が厚いので拡散層 ) ( 7 6.

(6) . . 長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性. 端 ① ②. 端 ′ 〃. ③. C 1 欄. 端. C o (被覆 な し). 7 7. 中 心 部 ヰ. ④. 彫 琢輔 導 纏 灘 厳選 さ. ラ. / c m一 馴 キー開o. 三. 1段被覆後:電楼俸1m /が・ 暦厚15〆 m角・ 処理時間60S m. c 2 (; 段 被 濁. バイブレーション セット1 5. 中心部ヰ. 中 心 部 ヰ. 1oopm 図5. . マ 1 濯ぎさ きト Z. oC-25h 試料端から内部に渡る光学顕微鏡組織 ( 7 00 ) (①元の試料端より外側に形成された酸化物) (②元の試料端より内側 に形成された酸化物) (③酸化、 脱炭による変質層 ④変質がない領域). . ・. . 、 ▲ 獅▼. A - 葛 司町 「. . 鷺デシ ズキ・. ’ お ⑥. 憲三. -. 手 ④. C0 (被覆なし). - ①. ,. 脇--. 臓器 掴. む憂愁《 要 主 蕩 .. C 2 (二 段 被 覆). ②. 図6. oC-5 試料端から内部に渡る光学顕微鏡組織 ( ) 7 00 0h. ) ( 7 7. loopm.

(7) . . 相馬 諭. 78. - - 一 E塾か ご‐ I ‐三 遜 漆精霊 龍 議題 ‐ ,. 輔 轄濠洲 に常識耕. . ③. ②. ①. 端. . , すご . ぎ こ 難 溌 きれ- - i急ぎ一 -‐ 離. .. .・ . 甑 きーき 注ご症 【濃艶崖誌三 瀬. 一. A. . A. . . ③. . -,. 、. . ・ 鵡・ B. looum. . 1 ‘‐ ′;- 一三 ÷ 響 すぎ I 「 -. 書r き 誓 . 端. ① ,. . ③. ②. A. ③. B. A. 1 0 0 -. 響糧 総 濠 ④. ③ B. 中 心 部 ヰ. 図7. c 2 (; 段 被 濁. oC-200h 70 0 ) 試料端から内部に渡る光学顕微鏡組織 (. ( ) 78.

(8) . . 7 9. 長時間恒温加熱した放電被覆鋳鉄の耐熱性. = .M -. 111 ・ 11 1 1 1 r ー ・ ・ fl 』 . ・. 1 お 牽 に 幸 手ニ1』- l\ ハ ー1‐稚 ‐ - -▲. ・伴日計-胃. ー. ÷① 什. 〆. 『 ′一 →. ≠. ー 」- - . . l um. 」. ・. ^ ^. i ・ ー ▲ ‐, -▲n S … ^^ , . , 1^ I ニ ▼‐ ▼ ▲ ”洲 ′へ 1 ‐ N ′ L ・I r N・ ▼ W 「 ご・ ー一 1 ‐ ‐ 1 ‐ 1 ▲ ‐ ノ ′ .・ ・ ・ ニ ] 1 r ◆ =1 ③ 聖判ー「 ・. → ↓ ね. tV ‐. }. ≧. ー ー. 井. ー・ ・ .. . , ご ; ◆ n‘. 槍. ^. ーー ー. 土井ト H‐ ド. ”・ 1 1・1 ・▼ H1 =● E▲ .・. ▲. 十 Lt ↓ ▲ー. ー1 ・1 1 1 I ▲ ÷・ ▼ i t 三 ′ 」 1r・ rI1 S. ー. -c. 主 に. ④. 司. 0. 20. コ. ・ヤ. に-. ・ .. F. 半酔. . - γ ー 1 、 、 =ー …- “. ‐ U 3- U. 、 ▲ ー ▼ ーー ー ー. の. 一 舟 U. 射す中心部. - ・ ー ; ー ー こ” ー :‐ ^▲ ÷”・ ー i: -“ ー ; ▲‐ 一‐ ▲- ー :” 二” .‐ -‘‐ ー ● γ. 。 : . ー 十 r 」 L 十. 一 8o 6‐ 0. 掛 声. ム. l. ▼. 二・ 憎 畢 . ” ▼. O 0. 10 0 号: 00 ‐・. ノ幅へ 燕i. ー. 。-. Fe. ▲ - ゴー ー y 、 ′ . ◆ r “ ト 1 ; 1 押 、円 y 〆 “ 1 . r r ’ 【 て1)=mー r .、 1 l m I U 「「; I ‐ . .」 ・ 」 ‐ ▲ ー ‐ ・ ・ー ー ー 』O I ; Pm ・ ・ . . こ 」 . ▼‐ ▲ ; ー▼ ・・ヨョョ ‐ 1 1 ‐ ▲ I ・ ・ ;▼‐ ー ′ ▼ ′ ▲ . 「コ ′ 」 コ ・1 . . マド ‐ - ・. ー 十三 て③… r o ー. ー・ ▲ ▲ . k ● ・ ▼ -. 、 十十 ′. 20 ‐ O. ~. }. 、 。・. ー ー ・ ー ; ー ▲ L. ー. VAJ ▼ が. r ‐」 ′ ‐ 『 V ー 仏 一. ▲ 1 ‘ ▼ ▼ ー“ ・ ー. 。60一 。、 20 i40 ー q ‐ o O u. ー. 30. に. 十 」 十. 80 ‐. 冊姻. ー ー ‘ 1 n. 一 ム○ 100 ー. ) 図8 EPMA 定量線分析 (CO-50h. ▼. ヂ 60. 鼠 寺十日一 +村 + 1 1 泌 1 二 ム一 掃 止 , 汁汗. ▼. … .. ・. . ‐W‐. -H‐ ▲ ‐ ・. トー ‐ : d→ ‐ ー▼. -○- ・◎. 」 ÷ - i! h. !i. … 1 ロ.. L. 0. L. ・. t 二」-●. ≧I. - - ・ . 1J. ー バ. ^ー ′ ‐ - 1r-- i111. … ▲. 打Tr. 1 \ ,. 土 ‐ -” J 一▼- rrー 十 rL 十「. 0. 中心. 、. 押ー. L r L r L. . Fe ・. M Vー ▲ ー r r 1 ・ r・ ▲ r ー ず什1 ・ 、 ・ー. 0 0 2 ) 。 o 0 8 ( 谷L 2. 8 7 65 4 3 2 1 0. . ー. 馴”. ① - .. ▲. ーー. ム0. ,. . ーー o 0 o o ‐) ○ 2 J0( 3 A - - ー 0 0 0 0 0 0 0 8 6 4 2 .. ー. ー ・ 「 医 11 n↑-=▲ 11!②十. 切l. 図9 EPMA 定量線分析 (C2-50h ). の深さが大きくなり, 一段よりも剥離が減少した結果と考えられる. しかし二段被覆と言えどもそれ以上の 加熱時間では, 剥離が進行して酸化が激しくなり, 耐熱性が消失する段階になった. 4. ま. と. め. 片状黒鉛鋳鉄に WCを電極物質とし一段(CI )と二段放電加工(C2 )(皮膜厚さそれぞれ1 5”m と2 0”m) o し, 長時間 ( 200h ) 恒温加熱( 70 0C) による耐熱性を調べた結果, 工業的応用に有益な知見が得られた. 結 果 ま とめる と次 のよう になる.. ) の40%, C2では20%, 加熱時間5 1) 加熱時間25hにおけるCIの重量増加量は被覆しない場合 (CO 0 h で はそ れ ぞれ70% と50% であ っ た.. 2) 加熱時間50h以上ではC0 ,CIそしてC2共に酸化の影響を強く受ける段階に達し,被覆効果が消失す ( ) 7 9.

(9) . 相馬 諭. 80. る 傾 向に な っ た. 3) 1ooh 以上 では被覆 しない CO に対する C1 と C2 の変 質減 少量 は10~20% 程度 であ っ た.. 4) EPMA 定量線分析によるとC2は酸化が激しくなる50hの加熱においても試料の端に耐熱皮膜を構成 する W と Co が検 出さ れた. この傾 向 は1ooh の 加 熱後 にも 僅 か に認 め ら れた. 5) CO に対 して おおよ そ50% 以 上 酸 化 が抑 制さ れる 時間 は,CI では25h 迄 である の に対 して,C2 で は倍 の 50h であ っ た.. 献. 文. 1) 伊藤:熱処理 35 (1995) 3 , 138 1995 )2 2) 久野:熱処理 35 ( , 90. 1 9 9 8 ) 1 3) 阿部ら:第4 5回日本熱処理技術協会講演概要集 ( ,5 ) 5月, 33 1987 4) 相馬 ら:北海道大学工学部研究報告 135号 ( 1972 )1 5) 小川:関東学院大学工学部研究報告 16 ( , 25 ) 3月, 89 9( 1996 6) 相馬ら:日本産業技術教育学会北海道支部研究論文集 No .. ) 8月, 3 7 8巻 ( 1 9 9 7 7) 相馬:北海道教育大学紀要 (第2部 A)4 9 9 8 )5 1 4 1 1回全国大会講演要旨集 ( 8) 相馬ら:日本産業技術教育学会第4 9 9 8 ) 1号,3 1 9巻 ( 1 9) 相馬ら:北海道教育大学紀要 (自然科学編)4 10 ) 渡辺ら:鋳物 40 ( 1968 )1 , 20. ( ) 8 0.

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